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1、智能机器人原理与实践,第1章 概论,“robot”一词源于捷克语“robota”，意为“强迫劳动”。1920年，捷克斯洛伐克作家萨佩克在洛桑万能机器人公司剧本中把在洛桑万能机器人公司生产劳动的那些家伙取名“Robot”（捷克语意为“奴隶”）。 机器人技术涉及机械、电子、计算机、材料、传感器、控制技术、人工智能、仿生学等多门科学。机器人的发展是目前科技发展最活跃的领域之一，发展应用机器人的目的在于： (1) 提高生产效率降低人的劳动强度； (2) 机器人做人不愿意做或做不好的事； (3) 机器人做人做不了的事情。,1.1 机器人的定义,1.1.1 机器人三定律 1942年，美国科幻巨匠阿西莫夫提
2、出的“机器人三定律”虽只是科幻小说里的创造，但已成为学术界默认的研发原则： (1) 机器人不得伤害人，也不得见人受到伤害而袖手旁观； (2) 机器人应服从人的一切命令，但不得违反第一定律； (3) 机器人应保护自身的安全，但不得违反第一、第二定律。,1.1.2 机器人各种定义 (1) 美国机器人协会(RIA)曾把机器人定义为一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手。 (2) 日本工业机器人协会(JIRA)把工业机器人定义为一种装备有记忆装置和末端执行器(end effector)的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动
3、的通用机器。,(3) 美国国家标准局(NBS)定义机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置。 (4) 国际标准化组织(ISO)把机器人定义为：机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。 (5) 蒋新松院士言简意赅地把机器人定义为一种拟人功能的机械电子装置。,1.2 机器人的产生与发展,1948年，诺伯特维纳出版控制论，阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，率先提出以计算机为核心的自动化工厂。1980年后，各种用途的机器人广泛
4、应用到了工业生产当中。1990开始，机器人开始面向服务业并走向家庭。现代机器人技术发展大事年表可总结如下：,1.3 智能机器人的体系结构,机器人现在已被广泛地用于生产和生活的许多领域，按其拥有智能的水平可以分为三个层次： (1) 示教再现型：示教再现型机器人只能死板地按照人给它规定的程序工作，不管外界条件有何变化，自己都不能对程序也就是对所做的工作作相应的调整。如果要改变机器人所做的工作，必须由人对程序作相应的改变，因此它是毫无智能的。,(2) 感觉型：感觉型机器人可以根据外界条件的变化，在一定范围内自行修改程序，也就是它能适应外界条件变化对自己怎样作相应调整。不过，修改程序的原则由人预先给以
5、规定。感觉型机器人拥有初级智能水平，没有自动规划能力，目前已走向成熟，达到实用水平。 (3) 智能型：高级智能机器人已拥有一定的自动规划能力，能够自己安排自己的工作。这种机器人可以不要人的照料，完全独立的工作，故称为高级自律机器人。,1.3.1 程控架构,程控架构，又称规划式架构。它根据给定初始状态和目标状态给出一个行为动作的序列，按部就班地执行。程序序列中可采用“条件判断+跳转”的方法，根据传感器的反馈情况对控制策略进行调整。,集中式程控架构的优点：系统结构简单明了，所有逻辑决策和计算均在集中式的控制器中完成。这种架构清晰，显然控制器是大脑，其他的部分不需要有处理能力。设计者在机器人工作前预
6、先设计好最优策略让机器人开始工作，工作过程中只需要处理一些可以预料到的异常事件。 缺点：对于设计一个在房间里漫游的移动机器人时，若其房间的大小未知，无法准确地得到机器人在房间中的相对位置的情况下，程控式控制架构就很难适应了。,1.3.2 分层递阶架构,分层递阶架构，又称为慎思式架构。分层递阶架构是随着分布式控制理论和技术的发展而发展起来的。分布式控制通常由一个或多个主控制器和很多个节点组成，主控制器和节点均具有处理能力。主控制器可以比较弱，大部分的非符号化信息在其各自的节点被处理、符号化后，再传递给主控制器来进行决策判断。,1. 分层递阶结构的信息流程 信息流程是从低层传感器开始，经过内外状态
7、的形势评估、归纳，逐层向上，且在高层进行总体决策；高层接受总体任务，根据信息系统提供的信息进行规划，确定总体策略，形成宏观命令，再经协调级的规划设计，形成若干子命令和工作序列，分配给各个执行器加以执行，如图所示。,2. 分层递阶结构的特点 (1) 遵循“感知思维行动”的基本规律，较好地解决了智能和控制精度的问题。层次向上智能增加，精度降低，层次向下，智能降低，精度增加。 (2) 输入环境的信息通过信息流程的所有模块，往往是将简单问题复杂化，影响了机器人对环境变化的响应速度。 (3) 各模块串行连接，其中任何一个模块的故障直接影响整个系统的功能。,1.3.3 包容式架构,包容式架构，又称为基于行
8、为、基于情境的结构，是一种典型的反应式结构。1986年，美国麻省理工学院的R.Brooks以移动机器人为背景提出了这种依据行为来划分层次和构造模块的反应式结构。Brooks认为机器人行为的复杂性反映了其所处环境的复杂性，而非机器人内部结构的复杂性。,包容式体系结构是一种完全的反应式体系结构，是基于感知与行为（SA）之间映射关系的并行结构。包容结构中每个控制层直接基于传感器的输人进行决策，在其内部不维护外界环境模型，可以在完全陌生的环境中进行操作，结构如下图所示。,2. 包容结构的特点 (1) 包容结构中没有环境模型，模块之间信息流的表示也很简单，反应性非常好，其灵活的反应行为体现了一定的智能特
9、征。包容结构不存在中心控制，各层间的通信量极小，可扩充性好。多传感信息各层独自处理，增加了系统的鲁棒性，同时起到了稳定可靠的作用。,(2) 包容结构过分强调单元的独立、平行工作，缺少全局的指导和协调，虽然在局部行动上可显示出很灵活的反应能力和鲁棒性，但是对于长远的全局性的目标跟踪显得缺少主动性，目的性较差，而且人的经验、启发性知识难于加入，限制了人的知识和应用。,1.3.4 混合式架构,Gat提出的混合式三层体系结构，分别是：反应式的反馈控制层，反应式的规划执行层和规划层。混合式架构在较高级的决策层面采用程控架构，以获得较好的目的性和效率；在较低级的反应层面采用包容式架构，以获得较好的环境适应
10、能力、鲁棒性和实时性。,1.3.5分布式结构,1998年，Piaggio提出一种称为混合智能机器人专家（HEIR）的非层次的分布式结构。分布式结构由符号组件(S)、图解组件(D)和反应组件(R) 三部分组成，如图所示。,分布式结构每个组件处理不同类型知识，是一个由多个具有特定认知功能、可以并发执行的Agent构成的专家组。各组件相互间通过信息交换进行协调，没有层次高低之分，自主地、并发地工作。,2.分布式体系结构的特点 (1) 突破了以往智能机器人体系结构中层次框架的分布模式，各个Agent具有极大的自主性和良好的交互性，这使得智能、行为、信息和控制的分布表现出极大的灵活性和并行性。 (2)
11、对于系统任务，每个Agent拥有不全面的信息或能力，应保证Agent成员之间以及与系统的目标、意愿和行为的一致性，建立必要的集中机制，解决分散资源的有效共享、冲突的检测和协调等问题。 (3) 更多地适用于多机器人群体。,1.3.6进化控制结构,将进化计算理论与反馈控制理论相结合，形成了一个新的智能控制方法进化控制。它能很好地解决移动机器人的学习与适应能力方面的问题。2000年，蔡自兴提出了基于功能/行为集成的自主式移动机器人进化控制体系结构。,整个体系结构包括进化规划与基于行为的控制两大模块，如右图所示，这种综合的体系结构的优点是既具有基于行为的系统的实时性，又保持了基于功能的系统的目标可控性
12、同时该体系结构具有自学习功能，能够根据先验知识、历史经验、对当前环境情况的判断和自身的状况，调整自己的目标、行为，以及相应的协调机制，以达到适应环境、完成任务的目的。,进化式控制结构图,1.3.7社会机器人结构,1999年，Rooney等根据社会智能假说提出了一种由物理层、反应层、慎思层和社会层构成的社会机器人体系结构,如下图所示。,1. 社会机器人体系结构的信息流程 社会机器人体系结构总体上看是一个混合式体系结构。反应层为基于行为、基于情境的的反应式结构；慎思层基于BDI模型，赋予了机器人心智状态；社会层应用基于Agent通信语言Teanga，赋予了机器人社会交互能力。,2. 社会机器人体系结构的特点 (1) 社会机器人结构采用智能体对机器人建模，体现了智能体的自主性、反应性、社会性、自发性、自适应性和规划、推理、学习能力等一系列良好的智能特性，能够对机器人的智能本质(心智)进行更细致地刻画。,(1) 社会机器人结构对机器人的社会特性进行了很好的封装，对机器人内在的感性、理性和外在的交互性、协作性实现了物理上和逻辑上的统一，能够最大限度地模拟人类的社会智能。 (2) 社会机器人结构理论体现了从智能体到多智能体、从单机器人到多机器人、从人工生命到人工社会的从个体智能到群体智能的发展过程。,
